矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测中的应用.pdf

第 3 O卷第 1 期 2 0 0 6年 2月 物探与化探 G EO P HYS I C AL GE O CHE MI C AL E XP L ORA T I O N Vo 1 ． 3 0． No ． 1 F e b ． ， 2 0 0 6 矿井瞬变电磁法在水文钻孔探测 中的应用 刘志新 ， 于景村 ， 郭栋 1 ．中国矿业大学， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．陕西省煤 田地质局 物探测量队， 陕西 西安 7 1 0 0 0 5 摘 要 探讨了用矿井瞬变电磁法探测采煤工作面内部和掘进巷道前方的水文钻孔的位置， 对其富水性进行了定性 评价 ， 总结出水文钻孔在视电阻率断面图上的响应特征， 即在顺煤层方 向呈圆形异常反映， 而在煤层顶、 底板方向 呈狭长椭圆形特征。该方法在探测隐伏含水陷落柱构造方面也有较好的应用前景。 关键词 矿井瞬变电磁法； 水文钻孔； 富水性； 超前探测 中图分类号P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 08 9 1 8 2 0 0 6 0 1 0 0 5 9 0 3 上世纪六七 { 年代， 在煤矿资源普查与勘探时 期， 施工了许多勘探及水文观测钻孔， 因此在许多矿 井都有揭露煤层底板强含水层的钻孔。由于个别钻 孔封闭不良或其他原因， 受工作面回采过程影响， 在 揭露钻孔时， 煤层顶、 底板内的承压水易沿钻孑 L 涌人 工作面， 造成突水事故， 给矿井安全生产造成极大危 害。大量的矿井涌水不仅需要配备相应的排水系 统， 而且增力 l1排水费用， 直接影响企业的经济效益； 同时， 地下水又是非常宝贵的资源， 减少矿井涌水 革， 可减慢地下水位的下降速度， 具有较好的社会效 益。现在， 有些钻孔的准确位置及封钻资料很难收 集， 这给煤矿的安全生产及地下水资源的合理开发 利用带来了潜在 的威胁 ， 因此 ， 利用矿井瞬变 电磁 法， 对钻孔位置、 封孔效果及煤层顶、 底板破碎范围 内的富水情况进行探测分析， 可为煤矿的安全回采 及地下水资源的保护提供钻孑 L 附近的水文地质资 料 。 1 矿井瞬变电磁方法技术及特点 矿井瞬变电磁法 m i n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c m e t h o d s ， M T E M 是利用不接地回线或接地线源向地 下发射 一 次脉冲电磁场， 在一次脉冲电磁场问歇期 问， 利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的 方法。其基奉lT作方法是 在巷道空间内设置通以 一 定波形电流的发射线圈， 在其周围空间产生一次 磁场， J i“ 在周围煤层及导电岩矿体中产生感应电流。 断电后， 感应电流由于热损耗而随时间衰减， 衰减过 程一般分为早、 中、 晚期。早期的电磁场相当于频率 收稿 日期 2 0 0 5一 O 60 4 基金项目 中国矿业大学青年科研基金资助项 目 D 2 0 0 4 0 9 域中的高频成分， 衰减快， 趋肤深度小； 而晚期则相 当于频率域中的低频成分， 衰减慢， 趋肤深度大。通 过测量 ， 找出断电后各个时间段的二次场随时问变化 规律 ， 可得到不同深度的地电特征 2 。 矿井瞬变电磁法基本原理与地面瞬变电磁法一 样 ， 采用的仪器和测量数据 的各种装置形式及时『 自 J 窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限 制， 测量线圈大小有限， 其勘探深度不如地面深， 一 般深度在 1 2 0 m左右。地面瞬变电磁法为半空间瞬 变响应， 这种瞬变响应来 自于地表以下半空间地层； 而矿井瞬变电磁法为全空间瞬变响应 ， 这种瞬变响 应是来自于回线平面上下 或两侧 地层， 这对确定 异常体的位置带来困难。实际资料解释中， 必须结 合具体地质和水文地质情况综合分析。矿井瞬变电 磁法与地面瞬变电磁法相比 具有以下特点 J 1 由于井下施工环境 的限制， 不可能采用大 线圈 边长大于3 m 装置形式， 只能采用边 K小于 3 m的多匝小线框， 工作效率高。但是， 用小边长重 叠回线装置形式观测到的 U ／ I 值偏大， 使计算 的 视电阻率值偏小。 2 测量点距较密 一般为2 ～ 1 0 m ， 降低体积 效应的影响， 提高了勘探分辨率， 特别是横向分辨率。 3 测量装置距离探测目标体较近， 大大提高 测量信号的信噪比。实际测量结果说明， 井下测量 信号的强度比地面同样有效面积的相同装蚩测量的 信号强 1 O ～ 1 0 0倍。井下的干扰信号相对有用信号 的影响近似等于零 大于3 0 m s 时问段 ， 而地面测 量信号在衰减到一定时间段 一般小于1 5 m s 就被 维普资讯 物探与化探 3 O卷 干扰信号覆盖， 无法识别有用地质信号。 4 井下瞬变电磁法在施 工过程 中， 具有一定 的方向特性。在探测过程中， 根据地质任务的不同， 可调整发射线框与煤层底板之间的角度。可以将线 圈直立于巷道内， 当线圈面平行巷道掘进前方， 可进 行超前探测， 或探测煤层内的含水构造异常体 图 l a ； 也可以将线圈置于巷道底板， 并设置一定的夹 角， 通过探测了解煤层底板下一定深度范围内含水 异常体垂向和横向的发育规律 图 1 b 。 b 巷道 煤层 发射线框 9 0 。 煤层底板 } 一 一 发 射 线 j 巷 道 ／ i ＼ 煤 层 。 探测方 僳 层厩 椒 a 一顺煤层方向I b 煤层底板方向 图1 探测方向示意 矿井 瞬变 电磁 法 探测仪 器为 澳大 利亚 产 S I R O T E M 一 3型瞬变电磁仪， 该仪器具有抗干扰、 轻 便、 自动化程度高等特点。数据采集由微机控制， 自 动记录和存储， 与微机连接可实现数据回放。探测 时根据地质任务和巷道的实际情况， 采用 2 m 2 m 的多匝数矩形回线装置进行测量。发射线框和接收 线框分别为匝数不等且完全分离的2个独立线框， 以便与地下 前方 异常体产生最佳耦合响应。数 据采集参数为 时窗大小 3 4 ， 增益 0 ． 1 ， 叠加次数 1 2 8 ， 发射电流3 ． 5 4 ． 2 A 。数据处理时， 首先将仪 器测量的电流归一化值转换成测点不同深度的计算 视电阻率值， 然后绘制矿井 T E M视电阻率拟断面 图， 再结合地质和水文地质资料， 可确定横向、 水平 长度和垂向深度电性变化情况 。 2 实例分析 2 ． 1 工作面内钻孔探测 根据相关地质资料了解到， 山东东山矿业有限 责任公司某煤矿 1 1 0 1 工作面内有一编号为3 l 6的 地面钻孔， 该钻孔终孔深度大于5 0 0 m， 穿过该工作 面煤层并延伸到煤层底板灰岩层中， 但是钻孔封孔 资料无法查到。l 1 0 1 工作面煤层顶板砂岩裂隙水 较为发育， 如果 3 l 6钻孔未封堵或封堵效果不好， 在 回采过程中由于受工作面采动过程的影响， 3 1 6号 钻孔附近顶板裂隙可能进一步发育， 使煤层顶板水 或底板承压水沿钻孔突出， 对工作面的安全回采可 能会产生威胁。 图2 a 为顺煤层方向测量的矿井瞬变电磁法视 电阻率等值线。由图可知， 探测范围内煤层连续性 较好， 但在横坐标 6 0 7 0 m之间、 纵坐标 5 8 7 0 m 范围内， 有一相对低阻异常区域， 结合已知的地质资 料， 该异常区可解释为 3 1 6 号钻附近煤层破碎、 弱含 水的反映。图2 b 为向煤层底板方向测量的矿井瞬 变电磁法视电阻率等值线。图中反映出在横坐标 6 0 1il 附近有一狭长形的相对低阻异常区域， 与图2 a 中的低阻异常区相对比， 其视电阻率值相对高些， 说 明该异常区是钻孔在底板内的反映， 其含水性相对 较差。由图2 还可看出， 顺煤层方向钻孔的响应特 征为圆形区域， 而在底板或顶反方向测为狭长的椭 圆形态。 以上结果已在矿方回采时得到验证。 b a 一顺煤层方向； b --煤层底板方向 图2 1 1 0 1工作面瞬变电磁法视电阻率断面 2 ． 2 巷道前方钻孔探测 资料显示江苏徐州天能集团某煤矿 7 3 0 2 工作 面溜子道 6 号测点前 1 2 0 m迎头处左前方有编号为 1 4 3的地面钻孔。但是该钻孔倾角及封孔钻资料已 无法查阅， 同时该钻孔在煤层中的准确位置及富水 情况也无法确定。根据已有矿井水文地质资料分 析， 7 3 0 2 工作面附近地质构造、 煤层顶板砂岩裂隙 水较为发育， 如果 1 4 3钻孔未封堵或封堵效果不好 ， 在掘过或回采过程中受采动影响， 附近顶板裂隙可 能进一步发育， 使煤层顶板出水量增大。对上述情 维普资讯 1 期 刘志新等 矿井瞬变电磁法在水文钻孑 L 探测巾的应用 b 图3 7 3 0 2工作面测点布置示意 测点 a 一顺煤层方向； b 煤层 顶板方 向 图4 7 3 0 2工作面瞬变电磁法视电阻率断面 况， 采用矿井瞬变电磁法按图 1中的方式进行探测， 由于巷道迎头施工空间的限制， 测点的具体布置方 式如图 3所示。 图4 a 为顺煤层方向矿井瞬变电磁法视电阻率 断面。由图可知， 4～ 8 号测点之问视电阻率值相对 两边的值较高， 主要是因为巷道迎头两侧为工字钢 支护， 对瞬变电磁场有一定的影响， 而正前方为裸露 的煤层， 因此， 视电阻率值相对较高。但在 5 6号 测点之间5 0～ 6 0 m的范围内有一相对低阻异常区， 与其他强含水构造视电阻率值相对比， 该异常区视 电视阻率相对偏高。结合已知资料， 该异常区可解 释为 1 4 3 号钻孔在煤层中的反映， 为弱含水钻孔。 图4 b 为煤层顶板方向矿井瞬变电磁法视电阻 率断面。图中反映出5～ 6 号测点之间， 即巷道的左 前方 5 0～ 6 0 m的范围内有一相对低阻异常区， 与图 4 a中的低阻异常区的值相比偏大， 且范围较小， 呈 狭长椭圆形。说明煤层顶板内钻孔附近含水性较 弱， 不影响巷道的安全采掘工作。解释工作结束后， 第五个工作 日 巷道掘进到5 0 m的位置时， 顶板出现 少量滴水现象， 后经地质技术人员判断为 1 4 3 号钻 孔的影响。 3 结论 矿井瞬变电磁法在探测穿过煤层的水文钻孔并 判断其富水性方面有较好的应用效果。在顺煤层方 向探测时， 钻孔在视电阻率等值线图上呈圆形的低 阻异常反映； 而在向煤层顶板或底板方向探测时， 钻 孑 L 在成果图上呈狭长椭圆形低阻异常区。该方法类 似钻孔特征的地质构造如工作面内隐伏的含水陷落 柱 、 封闭断层也有较好的探狈 0 效果。 参考文献 [ 1 ] 邵爱军． 煤矿地下水 底板突水[ M] ． 北京 地震出版社， 2 0 01 ． [ 2 ] 蒋邦远． 瞬变电磁法勘探[ M] ． 北京 地质出版杜， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 朴化荣． 电磁测深法原 [ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 李貅． 瞬变电磁测深的理论与 用[ M] ． 西安 陕西科学技术 出版社 。 2 0 0 2 ． [ 5 ] 张胜业． 应用地球物理学原理[ M] ． 武汉 中国地质大学出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 6 ] 王必泰． __ I_ 程与环境物探新方法新技术[ M] ． 北京 地质出版 神． 2 0 0 3 ． [ 7 ] 陈金方， 于景村． 矿井 T E M探测导水陷落柱及检测注浆效果 [ J ] ． 江苏煤炭 ， 2 0 0 2 4 7 ． [ 8 ] 丛茂祥． 矿井瞬变电磁法探测井下工作面顶、 底板的含水构造 [ J ] ． 江苏地质， 2 0 0 4 4 2 3 8 ． THE AP P LI CATI ON 0F THE M I NI NG TRANS I ENT EL ECTROM AGNET I C M ETHOD TO THE EXP LORATI ON OF HYDROLOGI CAL B0REHOLE L I U Z h i ． x i n ， YU J i n g ． c a n ， GU O D o n g 1 ．C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a , u t T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i n a； 2 ． S h a n x i B u r e a u o fC o a lfie l d G e o l o g y， X i h n 7 1 0 0 0 5 ， C h i n a 下转 7 O页 维普资讯 7 0 物探与化探 3 O卷 4 结论与讨论 1 模型试验及大量的应用实例表明， 数据组 合滤波可有效地克服干扰， 提高信噪比。 2 当有用信号相对背景信号太弱时， 如不采 取信号增强措施， 将无法实现勘查 目的。这里提出 的弱信息增强处理思路和方法是解决该问题的有效 办法。 3 当残存一次场及局部低阻干扰突出时， 必 须将其去除， 文中提出的异常分离方法可较好地解 决此类问题 。 大量的勘探实例表明， T E M数据预处理工作的 好坏， 可直接极大地影响勘探效果 。上述方法 已在 实际应用中取得良好的应用效果。目前， T E M数据 预处理工作的研究还不很深入， 远不能满足勘探工 作的需要， 这将直接制约T E M方法的发展。 参考文献 [ 1 ] 蒋邦远． 实用近区磁源瞬变电磁法勘探[ M] ． 北京 地质出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 杜庆丰． 瞬变电磁 T E M 数据组合滤波 [ J ] ． 地质与勘探， 2 0 0 2 ， 3 8 增刊 1 2 9 ． [ 3 ] 米萨克 N纳米吉安． 勘查地球物理电磁法 第一卷 [ M] ． 北 京 地 质出版社 。 1 9 9 2 ． DI S CUS S I C I N ON TEM DATA P REP ROCES S I NG M ETHOD D U Q i n g f e n g ， G U A N Z h i ． n i n g ， H E C h a o mi n g C h i n a U n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ． C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f G e o p h y s i c a l a n dGeo c h e m i c a l E x p l o r a t io n ， C A G S ， L a n g a n g 0 6 5 0 0 0 ， C h ／ n a Ab s t r a c t As t h e r e i s s o me b a d e f f e c t i n T EM e x p l o r e ，s u c h a s t h e n o i s e ， we a k s i g n a l ，p rima r y fi e l d ． F o r b e t t e r s u r v e y e ff e c t ， i t i s o f u t mo s t i mp o r t a n c e t o d a t a p r e p r o c e s s i n g ． No w w e g o i n t o t h e s e d a t a p r e p mc e s s i n g p rob l e ms -- d a t a c o mp o s i t e f i l t e r ， a n d t h e e n h a n c e d p r o c e s s f o r we a k i n f o r ma t i o n， a n d a n o ma l y s e p a r a t i o n ． S o me c a s e h i s t o r y r e s u l t a p p e a r e d ． Ke y wo r d s T EM； d a t a p r e p r o c e s s i n g ；d a t a c o mp o s i t e fi l t e r ； e n h a n c e d p r o c e s s for we a k i nfo r ma t i o n ； ano ma l y s e p a r a t i o n 作者简介 杜庆丰 1 9 6 3一 ， 男， 高级工程师。1 9 8 8年毕业于长春地质学院物探系， 获硕士学位。 就职于中国地质科学院地球 物理地球化学勘查研究所 ， 现为中国地质大学 北京 博士研究生。 上接 6 l页 Ab s t r a c t T h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e u t i l i z a t i o n o f t h e mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d t o d e t e c t t h e l o c a t i o n o f h y d r o l o g i c a l b o r e - h o l e t h a t l i e s i n t h e c o a l l a y e r o r i n f ron t o f t h e l a n e wa y ，a n d g i v e s a q u a l i t a t i v e a p p r a i s a l o f i t s h y d r o u s c h a r a c t e r i s t i c s ．T h e r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e h y d r o l o g i c a l b o r e h o l e r e f l e c t e d i n t h e a p p a r e n t r e s i s t i v i t y p s e u d o s e c t i o n a r e s u mma ri z e d ．I t i s d e t e c t e d t h a t t h e a ． n o maly a s s u me s c i r c u l a r r e s p o n s e i n t h e s a me d i r e c t i o n a s t h e c o a l l a y e r a n d s h o ws n a r r o w e l l i p t i c r e s p o n s e i n t h e d i r e c t i o n o f t h e t o p a n d b o t t o m o f t h e c o a l l a y e r ．T h i s me t h o d a l s o h a s wi d e p r o s p e c t s i n d e t e c t i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e c o l l a p s e d c o l u mn ． Ke y wo r d s mi n e t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d；h y d rol o g i c a l b o r e h o l e ；h y d rou s c h a r a c t e ri s t i c s ；a d v a n c e d d e t e c t i o n 作者简介 刘志新 1 9 7 6 一 ， 男， 中国矿业大学资源与地球科学学院讲师， 主要从事应用地球物理勘探方法和研究与教学工 作。 维普资讯